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Introducción
a los sistemas
empotrados
Ignasi Vilajosana Guillén
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Introducción a los sistemas empotrados
Introducción a los sistemas empotrados
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Índice
Introducción...............................................................................................
5
Objetivos.......................................................................................................
7
1.
9
Qué es un sistema empotrado........................................................
1.1.
Ejemplos de sistemas empotrados ..............................................
11
1.1.1.
Computadores en una tarjeta ........................................
11
1.1.2.
CPU cards.........................................................................
12
1.1.3.
PC104 modules ..............................................................
12
1.1.4.
System on a module (SoM) ..............................................
13
1.1.5.
System on a chip (SoC) ...................................................
13
1.1.6.
Field-programmable gate array (FPGA) .............................
14
2.
Factores de forma..............................................................................
15
3.
El concepto de familia.....................................................................
17
4.
Aplicaciones.........................................................................................
19
4.1.
Industria militar y aeroespacial ..................................................
20
4.2.
Automoción .................................................................................
21
4.3.
Tecnología médica .......................................................................
21
4.4.
Comunicaciones ..........................................................................
21
4.5.
Electrodomésticos y electrónica de consumo .............................
21
4.6.
Automatismos industriales y procesos de control ......................
22
4.7.
Logística .......................................................................................
23
4.8.
Agricultura ...................................................................................
23
4.9.
Infraestructuras ............................................................................
23
4.10. Seguridad .....................................................................................
23
Consideraciones de diseño...............................................................
24
El proceso de desarrollo...................................................................
27
6.1.
Otros aspectos que hay que tener en cuenta en el diseño ..........
29
6.1.1.
Determinación de los requisitos del sistema .................
29
6.1.2.
Consideraciones en cuanto al proyecto ........................
30
6.1.3.
Consideraciones en cuanto al diseño del sistema
5.
6.
empotrado ......................................................................
31
Resumen.......................................................................................................
36
Actividades..................................................................................................
37
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Bibliografía.................................................................................................
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Introducción
La ley de Moore afirma que la densidad del transistor se ve doblada aproximadamente cada dieciocho meses. Esto significa que la densidad de integración
se incrementa 1.000 veces cada quince años. Siguiendo la misma tendencia,
la capacidad de computación experimenta un "cambio de generación" aproximadamente cada quince años.
La próxima generación se conoce con diferentes términos, como, por ejemplo,
la era de los procesadores empotrados (de propósito específico), la era post-PC,
la era de la información, la era wireless (inalámbrica), etc. Es evidente que una
nueva generación de dispositivos inteligentes, conectados (con hilo o sin él),
potentes y baratos se acerca.
Cabe destacar que de los más de 9.000 millones de microprocesadores manufacturados en el año 2005, menos del 2% acabaron siendo los cerebros de
nuevos PC, MAC o estaciones de trabajo UNIX. Los 8.800 millones restantes
ingresaron finalmente en aquello que denominamos sistemas empotrados. Básicamente, la esencia de cualquier sistema electrónico moderno, desde un juguete hasta un sistema de control de una central nuclear, pasando por los semáforos de nuestras ciudades, están constituidos por sistemas empotrados.
Los microcontroladores (µC) son los cerebros de cada sistema empotrado y
son los encargados de procesar la información, ejecutar tareas o generar un
flujo de información. Los microcontroladores de los dispositivos que hoy en
día encontramos en el mercado van desde un simple µC de 4 bits, como los
que podríamos encontrar en una postal navideña con sonido, hasta los complejos µC dedicados de 128 bits, con altas capacidades de proceso y gestión de
gráficos, que encontramos en una Play Station 3.
En cuanto a su funcionamiento, el abanico de opciones también es muy amplio. Así pues, tenemos dispositivos que ejecutan códigos simples basados en
el lenguaje de ensamblador y que son ejecutados desde una memoria ROM
y no disponen de sistema operativo, así como sistemas basados en sistemas
operativos en tiempo real (en inglés, real time operating systems, RTOS), con
capacidades de preempción y multitarea, ejecutando programas en C o C++ e
incluso versiones empotradas de Linux y Windows.
Su utilización es muy extensa y, si miramos a nuestro alrededor, podemos contar fácilmente docenas de estos dispositivos, por ejemplo, la lavadora de casa,
el teléfono móvil, los reproductores de MP3, las cámaras digitales, etc.
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Tanto es así que empiezan a sonar términos como Internet of things, smart planet, smart cities o stream computing, en los que el centro de la información y de
la computación ya no está en nuestros ordenadores, sino que de una manera
ubicua está presente en las cosas, en los objetos e, incluso, en las personas.
Para entender esta predicción, hemos de conocer exactamente qué entendemos por sistema empotrado o sistema de propósito específico. En este sentido, nos
surgen las primeras preguntas:
•
¿Qué es un sistema de propósito específico?
•
¿De qué se compone?
•
¿Qué aplicaciones tiene?
En este módulo encontraréis una aproximación en los sistemas empotrados
para resolver estas preguntas básicas y también otras consideraciones que irán
surgiendo durante la lectura.
Dedicaremos este módulo a introducir las ideas y los conceptos básicos de
los sistemas empotrados que analizaremos con detenimiento en los próximos
módulos. Antes de nada, conoceremos la definición de sistema�empotrado,
alguna de sus tipologías y los conceptos de familia de sistemas. Conoceremos
los campos de aplicación de esta tecnología y, finalmente, nos adentraremos
en el proceso completo de diseño y desarrollo de un sistema de estas características.
Mercado global de las
tecnologías de Internet
El mercado global de las tecnologías de Internet (o extended Internet technologies en su
forma inglesa), que incluye las
tecnologías RFID y redes de
sensores, tendrá un volumen
de 11.600 millones de dólares
estadounidenses en el 2012,
de los cuales 5.300 millones se
espera que sean de redes de
sensores inalámbricos. Concretamente en Europa, se espera que el mercado de redes de
sensores inalámbrico (WSN)
llegue a los 180 millones de
dólares estadounidenses. Estas previsiones se basan en las
ventajas que ofrecen las redes
de sensores inalámbricos (costes reducidos, ahorro energético, facilidad de instalación y
madurez actual de la tecnología).
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Objetivos
El estudio de este módulo os debe permitir lograr los objetivos siguientes:
1. Conocer los conceptos de sistema empotrado y familia de sistemas, y los
componentes principales de un sistema empotrado.
2. Identificar los atributos principales y las aplicaciones de los sistemas de
propósito específico.
3. Conocer las diferencias con sistemas de propósito general, tanto en aspectos genéricos como en cuanto a detalles de arquitectura.
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1. Qué es un sistema empotrado
Un sistema empotrado es un sistema informático de uso específico que
está encapsulado totalmente por el dispositivo que controla. Los sistemas empotrados constituyen un sistema computacional fruto de la
combinación de hardware y software. Esta combinación tiene como misión llevar a cabo una funcionalidad o un conjunto de funcionalidades
determinadas. Se denominan empotrados porque normalmente forman
parte de un sistema completo o con funcionalidades más generales.
Normalmente, un sistema empotrado está basado en un microcontrolador
(µC), que controla una función o funciones específicas de un sistema. Sin embargo, el sistema no está diseñado para ser programado por el usuario final,
como podría suceder con un PC, en el que ahora lo utilizamos como un procesador de textos y al cabo de un rato le instalamos un juego. Es decir, un
usuario final puede configurar el dispositivo empotrado, pero normalmente
no puede modificar la funcionalidad para la que ha sido construido.
Así pues, un sistema empotrado está diseñado para llevar a cabo específica-
Ejemplo
mente la tarea para la que ha sido programado. La tarea puede no ser única
Un buen ejemplo del acercamiento de los electrodomésticos a las funciones próximas al
PC lo tenemos en la telefonía
móvil, con dispositivos con capacidades equivalentes a las de
un ordenador.
y, por lo tanto, se pueden incluir en ella varias opciones que el usuario puede
seleccionar (como si se tratara de los distintos programas de lavado en una
lavadora). Este rasgo es diferencial con relación a los ordenadores, o al menos
lo era hasta hace muy poco. Actualmente, un grupo minoritario de los dispositivos empotrados han experimentado una fuerte evolución y ya casi ofrecen
funcionalidades más cercanas a los PC que a los electrodomésticos.
Las técnicas de diseño de sistemas empotrados han posibilitado el desarrollo
de productos más pequeños, más rápidos, más robustos y, sobre todo, más
baratos que se están introduciendo en casi todos los dispositivos que rodean
(1)
Sigla de very large scale integrated circuits, circuitos integrados a
muy gran escala.
nuestra vida diaria. El diseño VLSI1 ha permitido crear transistores extremadamente pequeños que se pueden integrar por millones en pequeños circuitos
integrados. Gracias a esto, se han podido construir sistemas más complejos de
una manera modular.
El desarrollo de un sistema empotrado está condicionado siempre por su robustez y eficiencia, y con el condicionante de que ninguno de sus usuarios
final es consciente de su existencia.
En la década de 1970 aparecieron los primeros microcontroladores de 8 bits
producidos por Motorola (M6800) e Intel (8080), junto a las primeras memorias programables (PROM2). Las aplicaciones basadas en los primeros micro-
Ejemplo
El sistema de control del nivel
de carburante de un vehículo está constituido por varios
sistemas empotrados. Curiosamente, solo somos conscientes
de su existencia cuando dejan
de funcionar.
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controladores eran muy sencillas (microsoftware, firmware, como lo conocemos ahora). Normalmente, hacían uso del lenguaje de ensamblador, que permitía desarrollar aplicaciones de como máximo centenares de líneas de código
con las que se podía sustituir diseños de hardware muy complejos por sistemas
programables mucho más sencillos.
Hoy en día, se están desarrollando aplicaciones para sistemas empotrados de
miles de líneas de código, utilizando múltiples microcontroladores, componentes integrados VLSI, diferentes niveles de memoria, convertidores analógico-digitales y otros muchos componentes que permiten que los sistemas empotrados sean usados en casi todos los dispositivos y máquinas que existen
en la actualidad.
Los sistemas empotrados interactúan con una gran variedad de dispositivos
analógicos y digitales. El desarrollador de sistemas empotrados se debe enfrentar a la interacción con dispositivos analógicos y digitales, tiene que comprender cómo funcionan sensores y transductores y cómo sus señales son digitalizadas o viceversa. También, cada día más, los sistemas empotrados utilizan
conexiones de red, en muchos casos con protocolos específicos condicionados
por la naturaleza de estos dispositivos. De este modo, la tarea de desarrollar
un sistema empotrado es heterogénea y requiere que el desarrollador tenga un
amplio abanico de habilidades y conocimientos.
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(2)
Sigla de programable read only
memory.
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Sistemas empotrados en un vehículo
1.1. Ejemplos de sistemas empotrados
Los sistemas empotrados se pueden clasificar de muchas maneras, por ejemplo, según la funcionalidad, según el tamaño, según los componentes, etc.
Hemos elegido una clasificación que los discrimina en función de su nivel de
integración. Dado el elevado número de sistemas existentes, hemos elegido
algunos de los más representativos.
1.1.1. Computadores en una tarjeta
Los computadores en una tarjeta3 son computadores completos en un solo
circuito. El diseño se centra en un microprocesador con la memoria, la E/S y
todas las otras características de un computador funcional en una sola tarjeta
que suele ser de tamaño reducido y que tiene todo lo que necesita en la placa
base.
Esta arquitectura no se usa tanto en los computadores personales, sino en entornos industriales o en sistemas empotrados dentro de otros que ofrecen funcionalidades de control o de interfaz.
(3)
En inglés, single board computers
o SBC.
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Debido a los grandes niveles de integración y reducción de componentes y
conectores, los computadores en una tarjeta suelen ser más pequeños, ligeros,
más robustos y suelen tener una mejor gestión de la potencia eléctrica que los
computadores de múltiples tarjetas.
1.1.2. CPU cards
SBC�TPC-35A�de�Techsol.�SBC�con�pantalla
táctil
Una CPU card es un circuito impreso4 que contiene un procesador (CPU, unidad central de procesamiento) de un computador. Las CPU cards se especifican
(4)
En inglés, printed circuit board
(PCB).
por la frecuencia de reloj, por el tipo de bus y por otras características especificas de la funcionalidad que ofrecen. Las CPU cards son todos aquellos circuitos integrados que implementan arquitecture peripheral component interconnect
(PCI), tarjetas de PC modulares, tarjetas industry standard card (ISC), tarjetas
PCI extensions for instrumentation (PXI), tarjetas embedded technology extended
(ETX) y otras muchas. Normalmente, se utilizan para expandir memoria, velocidad, ancho de banda o aplicaciones empotradas de sistemas computacionales existentes. Entre otros, hay que destacar módulos para aplicaciones de
audio y de vídeo, comunicación de datos y almacenamiento empotrado.
Las tarjetas PXI se usan para la adquisición y para sistemas de control, y resultan muy adecuadas para aplicaciones de medida en tiempo real. Las tarjetas
ETX se usan en entornos industriales para aumentar de una manera empotrada las propiedades de un sistema. Las CPU cards están pensadas para ser conectadas a la placa base de un computador, por medio de los puertos ISA o PCI,
e incluyen todas las funcionalidades, tanto la específica como la de comunicación, con la placa base u otras tarjetas del computador. Normalmente, son
conocidas como tarjetas de expansión e incluyen, entre otras, funcionalidades
de módem, tarjetas de red, tarjetas de vídeo y aceleradores gráficos o controladores de disco RAID.
1.1.3. PC104 modules
PC/104 está definido como un estándar administrado por el PC/104 Consortium y que define un factor de forma y un bus de comunicación. El estándar
PC/104 fue concebido para aplicaciones de adquisición de datos en entornos
con condiciones que pueden ser extremas (temperatura, humedad, exteriores,
etc.). El factor de forma PC/104 no utiliza una placa base en la que se insertan
las placas de expansión, sino que los módulos pueden ser apilados y anclados
unos a otros haciendo que la estructura sea mucho más robusta. La comunicación entre módulos apilados se lleva a cabo mediante un bus que conecta
todos los niveles.
Diagrama�de�un�dispositivo�siguiendo�el
estándar�PC/104
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1.1.4. System on a module (SoM)
System on a module (SoM) es un computador en una sola placa5, empotrado,
(5)
En inglés, single board computer.
que se puede considerar la extensión del concepto system on a chip. El SoM
se podría describir como un computador completo construido en una única
placa. El diseño se centra en un único microprocesador con memoria RAM,
controladores de entrada/salida, alimentación y otros componentes necesarios para convertirlo en un computador completo pero en una sola placa. A
diferencia de un SBC, los SoM no tienen conectores para añadir periféricos
directamente a la placa, sino que cualquier periférico tiene que ser enchufado
mediante un bus conectado a un puerto (como por ejemplo un USB) del SoM.
Las principales ventajas que tiene son el bajo consumo energético y la robustez, gracias al alto nivel de integración.
System on a module (SoM)
1.1.5. System on a chip (SoC)
System on a chip (SoC) es un concepto que hace referencia a la integración de
todos los componentes de un computador o de otro aparato electrónico en
un único circuito integrado (chip). Normalmente, aglutina funciones digitales, analógicas y comunicaciones vía radiofrecuencia en un único sustrato. A
diferencia de las limitaciones de memoria y capacidad de cálculo de un microcontrolador, los SoC suelen incluir uno o varios microcontroladores que
les dan mucha más capacidad de cómputo e integran varias memorias externas, lo cual incrementa su capacidad. Sin embargo, la integración hoy todavía
tiene límites y el término system on a chip engloba también los sistemas que
están formados por más de un chip, pero que van empaquetados en un mismo
encapsulado, lo que favorece su integración, pero sin llegar a los extremos de
utilizar un mismo sustrato.
Ejemplo�de�SoC
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1.1.6. Field-programmable gate array (FPGA)
A pesar de que su nivel de integración es muy variable, queremos introducir el
concepto de field-programmable gate array (FPGA) –en español matrices de puertas programables in situ–, puesto que un gran número de dispositivos empotrados utilizan sistemas FPGA como componentes de su arquitectura.
Una FPGA es un circuito integrado que puede ser reprogramado mediante un
lenguaje de programación específico, normalmente algún lenguaje de descripción de hardware como VHDL. Las FPGA pueden ser usadas para implementar cualquier operación que un circuito integrado puede llevar a cabo con la
diferencia de que, al ser reprogramables, son mucho más versátiles y pueden
ser reusadas en otros contextos. Las FPGA están constituidas por bloques lógicos y una jerarquía de interconexiones reconfigurable que permite unir los
bloques lógicos. Los bloques lógicos se pueden configurar para llevar a cabo
operaciones complejas o simples operaciones lógicas. Los bloques lógicos son
acompañados por elementos de memoria.
Además de funciones digitales, algunas FPGA también tienen funciones analógicas, entre otras, la de control del slew rate (o velocidad de cambio de voltaje
de salida en función de las variaciones del voltaje de entrada). En cada pivote
permiten a los desarrolladores ajustar la carga a cada pivote según las necesidades de su diseño.
Esquema de bloques lógicos de una FPGA con sus entradas y salidas
Los bloques lógicos se interconectan para conseguir funcionalidades específicas
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2. Factores de forma
La estandarización de cualquier sistema es capital para su implantación posterior a gran escala en los mercados, también para los sistemas empotrados. Así
pues, la comunidad ha definido factores de forma y medidas que permiten a
los fabricantes seguir unos estándares que simplifican la integración, el diseño,
la interoperabilidad y el encapsulado, entre otros.
La existencia de los factores de forma (o form factor, en inglés) ha permitido
que podamos cambiar la placa base de nuestro PC por una de otro fabricante
sin tener que cambiar la caja. También ha permitido reducir los costes de los
sistemas empotrados, puesto que los encapsulados, conectores, fuentes de alimentación, etc., no tienen que ser específicos para cada dispositivo.
Los tamaños de la mayoría de los sistemas empotrados están estandarizados
por lo que se denomina factor�de�forma (en inglés, form factor). El factor de
forma permite que los fabricantes de accesorios, de componentes y de sistemas
de protección o envoltorio puedan fabricar siguiendo unos estándares.
En esta figura vemos los factores de forma más utilizados ordenados de más
grande a más pequeño en cuanto a las dimensiones. Podemos reconocer algunos relacionándolos con la placa base de nuestro PC. Por otro lado, también
podemos ver la relación de escala de los factores de forma más utilizados.
Factores de forma y sus tamaños
Nombre
Tamaño�(mm)
WTX
356 × 425
AT
350 × 305
Baby-AT
330 × 216
BTX
325 × 266
ATX
305 × 244
EATX (Extended)
305 × 330
LPX
330 × 229
microBTX
264 × 267
NLX
254 × 228
Ultra ATX
244 × 250
microATX
244 × 244
DTX
244 × 203
Perfilando factores de
forma
Recientemente, los fabricantes
de dispositivos móviles, como
Apple y su Iphone, están definiendo factores de forma que
permitirían estandarizar el tamaño de estos dispositivos.
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Nombre
Tamaño�(mm)
FlexATX
229 × 191
Mine-DTX
203 × 170
EBX
203 × 146
microATX (min.)
171 × 171
Mine-ITX
170 × 170
EPIC (Express)
165 × 115
ESM
149 × 71
Nano-ITX
120 × 120
COM Express
125 × 95
ESMexpress
125 × 95
ETX/XTX
114 × 95
Pico-ITX
100 × 72
PC/104 (-Plus)
96 × 90
ESMini
95 × 55
Beagle Board
76 × 76
mobile-ITX
60 × 60
CoreExpress
58 × 65
Los factores de forma
No están a escala real, sino que solo observamos la relación de escala.
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Introducción a los sistemas empotrados
3. El concepto de familia
Una familia engloba todos los componentes que están diseñados bajo un mismo patrón y que comparten un conjunto de propiedades. Así, en el contexto
de un sistema empotrado, podemos encontrar componentes que se engloban
dentro del ámbito de una familia y que, por lo tanto, comparten propiedades.
En el ámbito de los sistemas empotrados hay un conjunto de familias que han
Ejemplo
Encontramos las familias de
procesadores o de microcontroladores que comparten, entre otras, una arquitectura, un
formato de instrucción, una
medida de registros, etc.
ido evolucionando a medida que se extendía su uso. Las más representativas
son:
•
La arquitectura ARM de la empresa ARM.
•
La arquitectura AVR de Atmel.
•
La arquitectura PICO de Microchip.
•
La arquitectura MSP430 de Texas Instruments.
•
La arquitectura 8051 de Intel.
•
La arquitectura Z80 de Zilog.
•
La arquitectura 65816 de Western Design Center.
•
La arquitectura SuperH de Hitachi.
•
La arquitectura ETRAX CRIS de Axis Communications.
•
La arquitectura Power Architecture (propiamente dicha PowerPC).
•
La arquitectura eSi-RISC de EnSilica's.
Una familia está constituida por múltiples microcontroladores que siguen las
especificaciones básicas de la familia, como son el formato de las instrucciones
o la arquitectura del procesador. Una familia no deja de ser una especificación
y un diseño de un núcleo y un conjunto de funcionalidades que forma lo que
se denomina microcontroller unit (MCU) o core.
Chip Cortex-M3. Aquí vemos la parte desarrollada por ARM y la parte desarrollada
por los diferentes integradores.
Ejemplo
En la familia de ARM podemos
encontrar más de 30 microcontroladores diferentes, todos
basados en el mismo núcleo.
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Introducción a los sistemas empotrados
La especificación de una familia puede ser implementada por varios fabricantes o integradores; así, la especificación del procesador Cortex-M3 de ARM la
desarrollan empresas como Texas Instruments, NXP, FreeScale o Atmel, entre
otras, que le añaden los periféricos, la memoria y otros componentes que consideran óptimos por el diseño que tienen.
Los fabricantes intentan mantener la compatibilidad entre los microcontroladores que forman una familia, puesto que el desarrollo de aplicaciones en
sistemas empotrados va ligado a una tool chain o herramientas de desarrollo
específicas para la familia y, por lo tanto, quieren evitar que sus clientes tengan que cambiar todas las herramientas por el simple hecho de cambiar de
procesador. También hay que señalar que existe una fuerte competencia en
el ámbito de las herramientas ofrecidas para el desarrollo, y fabricantes como
FreeScale "regalan" su entorno de desarrollo y bibliotecas si se usan sus microcontroladores.
Ejemplo
El Iphone 4 de Apple lleva un
microcontrolador basado en
Cortex-A8 de la familia ARM
como procesador. Samsung
ha introducido ciertas modificaciones en él para aumentar
su rendimiento. A su vez, otros
dispositivos, como el Motorola Droid o el Samsung Galaxy,
llevan el mismo microcontrolador.
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Introducción a los sistemas empotrados
4. Aplicaciones
El desarrollo tecnológico de los últimos años en el ámbito de los sistemas empotrados y de la microelectrónica en general ha facilitado el desarrollo de aplicaciones existentes y también ha favorecido la aparición de nuevas.
Los sistemas empotrados han permitido el desarrollo de sistemas y aplicaciones:
•
de bajo coste,
•
en muchos casos descentralizadas,
•
con bajos consumos energéticos,
•
con más robustez y tolerancia a los fallos,
•
con mejor apoyo a la operación con tiempo real,
•
con potencial para ser conectadas en red,
•
con control o acceso remoto,
•
con más densidad de sensores o actuadores,
•
con alto nivel de integración en otros sistemas u objetos y
•
con tamaños más reducidos o con la posibilidad de ser usadas donde antes
no era posible.
Una gran parte de los sistemas empotrados se pueden considerar dispositivos
sensores que mediante interfaces son capaces de obtener datos. En esta categoría se incluyen todos los dispositivos que utilizan sensores (sensores de temperatura, humedad, sísmicos, acústicos, magnéticos, etc.) y también todo tipo
de contadores y dispositivos de medida mecánica (como tacómetros, amperímetros, contadores de pulsos, etc.). Por otro lado, los sistemas�actuadores son
aquellos que gracias a estímulos recibidos llevan a cabo acciones en su ámbito
de actuación.
En los últimos años y gracias al auge de las comunicaciones inalámbricas, muchos de los sistemas empotrados existentes han evolucionado para operar de
una manera remota sin la necesidad de conexiones cableadas. Esto ha permitido el desarrollo de nuevas aplicaciones que hasta el momento no eran posibles. Sin embargo, han aparecido retos nuevos, puesto que el hecho de poder comunicar un sistema empotrado inalámbrico ha permitido ubicarlos en
lugares donde ni siquiera hay energía eléctrica. Por lo tanto, el consumo y la
eficiencia de los dispositivos ha devenido crucial.
Tanto es así que la mayoría de los esfuerzos en el desarrollo de la microelectrónica y del software (sistemas operativos y bibliotecas) han ido dirigidos a la
reducción de los consumos energéticos de estos dispositivos. Esto se ha hecho
patente en diferentes vertientes:
Ejemplo
Los sistemas actuadores accionan motores, abren o cierran
interruptores y notifican eventos, entre otras funciones.
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Introducción a los sistemas empotrados
1)�Microelectrónica�energéticamente�eficiente. Gracias a la reducción del
tamaño de los chips y de los componentes electrónicos que integran un sistema empotrado, junto con técnicas que permiten apagar literalmente algunos
componentes del dispositivo cuando no son usados, se ha reducido de una
manera notable el consumo de estos dispositivos. También hay que destacar
la aparición de sistemas de recogida de energía del entorno (energy harvesting),
que han permitido la prolongación de la vida operativa de los sistemas empotrados.
2)�Sistemas�operativos�en�tiempo�real. Los avances en sistemas operativos en
tiempo real de propósito específico, incluyendo planificadores de tareas prioritarias y multitarea y en muchos casos con conceptos de justicia (fairness, en
inglés), han permitido una optimización del tiempo de procesador. También
han aparecido técnicas que permiten detectar cuándo no hay más tareas por
ejecutar y, de una manera automática, poner el sistema en un modo dormido
(sleep). Los sistemas basados en eventos y asíncronos han favorecido la utilización de interrupciones y han evitado también el uso innecesario de esperas
o encuestas.
3)�Estándares�de�comunicación�que�optimizan�el�consumo�energético. Las
comunicaciones inalámbricas son las que más han evolucionado. Han aparecido estándares para la comunicación pensados para entornos con altas restricciones energéticas en los que la pila de protocolos está pensada para minimizar este aspecto. El 802.15.4 es la especificación hecha por el IEEE del protocolo para redes de sensores y entornos industriales en el que se optimiza la
eficiencia energética de la capa física. Define tasas de transmisión, modulaciones y estructura de los paquetes. Han aparecido diferentes implementaciones
de la capa MAC que, entre otras funciones, permiten un acceso aleatorio CSMA/CA en redes con poco tránsito, o acceso múltiple TDMA/FDMA para redes
con tránsito constante, basándose en protocolos complejos de sincronización
y de encaminamiento de la información.
Gracias a estos avances, encontramos aplicaciones de los sistemas empotrados
en casi todos los sectores. A continuación, detallamos los más representativos.
4.1. Industria militar y aeroespacial
Encontramos los sistemas de propósito específico en sistemas de control, ubicación y monitorización en rescates u operación en desastres naturales, también en sistemas de control de proyectiles y armamento o control de dispositivos voladores no tripulados, entre otros. Una parte significativa del coste de
los aviones proviene de los equipos de procesamiento de información, incluyendo sistemas de control de vuelo, sistemas para evitar colisiones o sistemas
de información para los pilotos. En muchos casos, la operación en tiempo real,
la robustez y los mecanismos de posicionamiento y comunicación inalámbricos son clave para este tipo de dispositivos.
UAV
España y Estados Unidos son
dos de los fabricantes más importantes de vehículos aéreos
no tripulados (en inglés, unattended aerial vehicle, UAV).
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4.2. Automoción
La mayoría de los países han establecido leyes que obligan a los fabricantes de
vehículos a que incluyan ciertos sistemas de seguridad, como son los sistemas
de airbags controlados por sistemas de control empotrados al vehículo, sistemas de control del motor, controles del sistema de freno (ABS) o sistemas de
estabilidad (ESP), entre otros. Otros componentes de los vehículos son también sistemas empotrados, los GPS, los sistemas de alarma, los controles de
climatización, etc.
4.3. Tecnología médica
Gracias a sus características y tamaños, los sistemas empotrados son usados en
el ámbito de la medicina e integran todo tipo de equipamiento para la monitorización y el control en tiempo real. Incluso en muchos casos, los sistemas
son adheridos a los pacientes para ser observados de una manera permanente,
sobre todo en el caso de gente mayor. Hay algunas experiencias de múltiples
sistemas sensores adheridos al cuerpo del paciente y que se comunican entre
ellos para encaminar la información hacia el centro receptor y formar una red
de comunicaciones personal llamada red de área personal (PAN, personal area
network).
4.4. Comunicaciones
La mayoría de los dispositivos que conforman las redes de comunicaciones
están constituidos por un microcontrolador, su memoria y una interfaz de comunicación. Así pues, los encaminadores (routers) o los conmutadores (switch),
entre otros, no dejan de ser sistemas de propósito específico. El auge de las
comunicaciones ha provocado que cada vez aparezcan más dispositivos multiinterfaz que permiten la comunicación utilizando diferentes tecnologías. En
este apartado no podemos olvidar los teléfonos móviles, que son la tecnología
que ha experimentado un crecimiento más destacado en los últimos años. En
este ámbito, son especialmente importantes las comunicaciones de radiofrecuencia y los diseños de sistemas energéticamente eficientes.
4.5. Electrodomésticos y electrónica de consumo
Desde los teléfonos móviles hasta los reproductores de música, pasando por
las cocinas de inducción, los aires acondicionados y las calefacciones, encontramos uno o varios sistemas de propósito específico que rigen el funcionamiento de estos dispositivos. Tanto es así que muchos de los electrodomésticos
que tenemos en casa ya incluyen interfaces o puertos estándar de expansión
que permiten extender las funcionalidades de los aparatos como, por ejemplo, añadiendo un control remoto. En este contexto, no hay que olvidar los
Introducción a los sistemas empotrados
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Introducción a los sistemas empotrados
sistemas de entretenimiento y videojuegos, extendidos cada vez más con dispositivos de hardware que aumentan su interactividad mediante sensores y
actuadores.
4.6. Automatismos industriales y procesos de control
Los sistemas SCADA6 y autómatas de control son implementados cada vez más
con sistemas de propósito específico. A pesar de que la industria tiene una
gran inercia a la hora de integrar nuevas tecnologías, los sistemas empotrados
con comunicaciones inalámbricas abaratan extremamente los costes de instalación, y los hace muy interesantes y rápidamente amortizables. Hace unos
años, los sistemas de control solían estar centralizados en un computador central y gestionados por un software SCADA. Estos ordenadores eran un punto
crítico para la operación de la industria, puesto que en caso de fallo se paraban
muchos procesos. El abaratamiento de los sistemas empotrados, junto con las
comunicaciones inalámbricas, ha permitido llevar un control descentralizado,
puesto que los propios sistemas sensores son capaces de procesar los datos y
enviarlos a sistemas web en los que la replicación y la tolerancia a fallos es
mucho más sencilla.
Arquitectura SCADA
Un servidor central, un centro de control y los dispositivos sensores
(6)
Supervisory control and data acquisition, en inglés.
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Introducción a los sistemas empotrados
4.7. Logística
En muchas aplicaciones de logística se equipan las materias primas con identificadores de radiofrecuencia (tags), o RFID, que permiten hacer el seguimiento
de los productos. Tanto el control como la lectura de estos identificadores se
lleva a cabo mediante sistemas de control basados en sistemas de propósito
específico.
4.8. Agricultura
La aparición de múltiples sistemas de irrigación, fertilización del suelo y control del crecimiento de vegetales y plantas empieza a introducir un cambio en
los modelos de agricultura tradicionales. A pesar de los costes de introducir la
tecnología en el campo, algunos estudios demuestran grandes aumentos de
la productividad, lo que hace muy interesante esta tecnología para el sector.
Por ejemplo, se han empezado a aplicar controles exhaustivos en la viticultura
y la huerta de regadío dada la relevancia de las mejoras que los dispositivos
empotrados pueden aportar a la producción agrícola en estos sectores y el incremento evidente del volumen de negocio que ello significa.
4.9. Infraestructuras
Control�de�las�viñas�haciendo�uso�de�un
dispositivo�empotrado�dotado�de�interfaz�de
comunicación�inalámbrica
Gracias a las capacidades de comunicación inalámbrica, los bajos consumos
energéticos y las reducidas dimensiones, los sistemas empotrados pueden ser
usados como sistemas de medición en lugares casi inaccesibles en todo tipo
de infraestructuras. Esto permite controlar la salud de edificios, puentes, presas, etc. La evolución de estos sistemas ha dado pie a la aparición de términos como smart cities o smart infraestructures, que denominan ciudades llenas
de sistemas de medición inalámbricos puestos al servicio del control de las
grandes infraestructuras o ciudades. Incluyen sistemas de control de tráfico y
de polución, sistemas de control acústico o de luminosidad a gran escala, por
mencionar algunos.
4.10. Seguridad
En los últimos años, los sistemas de seguridad han ido incorporando todo tipo
de sistemas de propósito específico, desde sistemas de captura y procesamiento de imágenes hasta sistemas sensores y actuadores, pasando por sistemas de
autenticación de personas, por ejemplo, mediante la huella dactilar o el escáner de retina.
SmartSantander
En el 2011, la ciudad de Santander ha iniciado un proyecto llamado SmartSantander
que pretende instalar más de
20.000 sensores en toda la ciudad con el objetivo de dar servicio a la ciudadanía.
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5. Consideraciones de diseño
El proceso de diseño de un sistema empotrado se basa en la creación de un modelo del dispositivo en cuestión. Normalmente, el proceso de diseño requiere
una metodología específica que debe tener en cuenta los requisitos siguientes:
•
Jerarquía. Los seres humanos generalmente no son capaces de comprender sistemas muy complejos formados por muchos objetos fuertemente
interrelacionados. De este modo, hacer uso de jerarquías permite concebir
los sistemas de una manera estructurada y permite focalizar el diseño en
cada una de las partes. Podemos considerar dos tipos de jerarquías:
–
Jerarquías�de�comportamiento. Contienen los objetos necesarios para describir el comportamiento del sistema: estados, eventos, señales
de entrada y de salida, etc.
–
Jerarquías�estructurales. Describen la composición física del sistema.
Por ejemplo, procesadores, memorias, actuadores y sensores. A su vez,
los procesadores incluyen registros, multiplexores, sumadores, etc. Los
multiplexores están constituidos, a su vez, por puertas lógicas.
•
Diseño�orientado�a�componentes. El sistema debe poder ser especificado
usando componentes con funcionalidades definidas. Tiene que ser sencillo
derivar el comportamiento de un sistema del comportamiento de sus componentes. Si dos componentes están interconectados, el comportamiento
de ambos ha de ser predecible.
•
Concurrencia. Dado que el sistema es una composición de componentes,
hemos de esperar que estos trabajen de una manera simultánea y, por lo
tanto, dar pie a situaciones de concurrencia. Para el diseñador es difícil
prever las situaciones de concurrencia y por ello es un aspecto crítico que
hay que tener en cuenta en la fase de diseño. Cabe señalar que, en muchos
casos, los posibles fallos se deben a un conocimiento incompleto de las
situaciones de concurrencia.
•
Sincronización�y�comunicación. Los componentes se deben poder comunicar y sincronizar. Se han de poder expresar prioridades y ponerse de
acuerdo en el uso de recursos (exclusión mutua).
•
Comportamiento�temporal. Muchos de los sistemas empotrados son sistemas en tiempo real. Así, los requisitos de tiempos son críticos y tienen
que ser especificados durante la fase de diseño del sistema. Es crucial en el
diseño de algunos algoritmos que se ejecutarán en un sistema empotrado
demostrar que el algoritmo finaliza de manera determinista en un tiempo
determinado. Generalmente, se emplean técnicas para lo siguiente:
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–
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Introducción a los sistemas empotrados
Medir� el� tiempo� empleado. Para muchas aplicaciones es necesario
medir el tiempo que ha pasado desde un cierto instante hasta que se
ha acabado la ejecución.
–
Retardar�procesos�durante�un�período. Típicamente los lenguajes de
programación para sistemas en tiempo real ofrecen métodos para introducir retardos. Sin embargo, en muchos casos estos métodos no son
muy precisos, puesto que utilizan el planificador de tareas del sistema
operativo, que introduce ciertos retardos debido a los cambios de contexto.
–
Posibilidad�de�especificar�temporizaciones�(timeouts). En muchas
situaciones lo que se quiere es esperar un cierto acontecimiento. Puede suceder, sin embargo, que este acontecimiento no suceda en un período de tiempo finito y, por lo tanto, queramos que esto se nos notifique para evitar que el sistema espere eternamente. Un caso común
lo podríamos encontrar cuando se espera un paquete de respuesta a
través de la red y queremos ser notificados si este no se ha recibido en
un período de tiempo determinado. Los lenguajes de programación en
tiempo real suelen ofrecer este tipo de funcionalidades.
•
Métodos�para�especificar�retardos�y�planificaciones. Para ciertas aplicaciones, hay que completar ciertos cálculos en un período de tiempo concreto. Desafortunadamente, la mayoría de los lenguajes de programación
no permiten imponer restricciones de tiempos; a la vez, el hardware presenta cada vez más un comportamiento más impredecible (temporalmente hablando), debido al uso de memorias caché, pipelines de ejecución,
ejecución especulativa, priorización de tareas, interrupciones, etc., lo cual
hace muy difícil que se pierda el tiempo de ejecución de un algoritmo.
•
Comportamiento�definido�por�estados. Es muy útil utilizar máquinas de
estado autómatas para definir el comportamiento del sistema. Sin embargo, la temporización no se puede modelar en una máquina de estados ni
tampoco se pueden modelar jerarquías complejas.
•
Gestión�de�eventos. Fruto de la naturaleza reactiva de los sistemas empotrados, se requieren mecanismos para describir eventos. Los eventos pueden ser externos (causados por el entorno) o internos (causados por el
comportamiento del propio sistema).
•
Comportamiento�definido�por�excepciones. En la mayoría de los sistemas hay excepciones. Para que nuestros sistemas sean robustos, se tienen
que poder definir acciones que gestionen las excepciones de una manera
sencilla.
•
Soporte�al�diseño�de�sistemas�grandes. En ocasiones, se deben desarrollar sistemas grandes y complejos con funciones muy específicas. Se tie-
Ejemplo
Si el conjunto de sensores de
aceleración de un coche detecta una fuerte desaceleración, el
airbag se debe poner en marcha con un tiempo no superior
a 10 ms; en este contexto, el
sistema tiene que garantizar
que se tomará la decisión de
activar o no el airbag en este
tiempo.
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nen que usar metodologías para llevar a cabo estos diseños, entre otras, la
orientación a objetos o a componentes son capitales. Se deben reaprovechar las técnicas y las metodologías existentes para minimizar los esfuerzos en este sentido.
•
Legibilidad. El diseño se ha de especificar en un documento que tiene que
ser legible. La documentación es tan importante o más que el propio diseño. Se deben desarrollar documentos que puedan ser leídos por humanos
y también especificaciones que puedan ser fácilmente transformadas en
programas.
•
Portabilidad�y�flexibilidad. Las especificaciones han de ser independientes del hardware específico para que puedan ser utilizadas de una manera
sencilla en otras plataformas o componentes. Idealmente, se debería poder
cambiar la plataforma de hardware sin que esto afectara a la especificación
–aunque, en la práctica, siempre son necesarios algunos cambios.
•
Finalización. Tiene que ser posible identificar el ciclo de vida de la aplicación a partir de su especificación. Se deben poder determinar sus estados
de finalización.
•
Soporte�para�dispositivo�de�E/S�no�estándar. Muchos sistemas de propósito específico emplean dispositivos de E/S no estándar. Se tienen que
describir las entradas y salidas de una manera conveniente.
•
Propiedades�no�funcionales. Se deben tener en cuenta también otras propiedades no funcionales, como la tolerancia a fallos, el tamaño, la extensibilidad, la esperanza de vida del sistema, el consumo, el peso, la usabilidad, el aspecto, la compatibilidad electromagnética, etc. Se tienen que
definir estas propiedades formalmente.
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6. El proceso de desarrollo
La concepción del sistema en su totalidad es parte de una idea de una persona,
o de un equipo de diseño o de un encargo a medida hecho para un "cliente"
que quiere resolver un problema determinado.
Podemos establecer un serie de tareas previas que culminarán en la elaboración
de un anteproyecto, sobre la base del cual se tomarán las decisiones de seguir
adelante o descartar el proceso:
1) Determinación de los requisitos globales del sistema.
2) Selección del microprocesador, microcontrolador o DSP más adecuados.
3) Selección de la tecnología de fabricación más adecuada.
4) Elección de la memoria y del sistema operativo, si procede.
5) Determinación de las entradas/salidas, comunicaciones, etc.
6) Determinación de las necesidades de homologación en función de la aplicación.
7) Selección del equipo humano más oportuno para su desarrollo, selección
de proveedores hardware y software, etc.
8) Elaboración de un anteproyecto, cuanto más detallado mejor, que nos permita evaluar la viabilidad técnica y económica del sistema, y también generar
un presupuesto de costes tan veraz como sea posible. Desde la primera fase,
conocida como diseño�previo�del�sistema, hasta la última, que consiste en la
decisión del producto final, se debe vigilar el orden de ejecución de las tareas
y encabalgar todas las que sea posible, de modo que se obtenga un producto
fiable en el mínimo tiempo posible de acceso al mercado (time-to-market).
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Diagrama de fases para el diseño de un sistema empotrado
En esta figura se muestra un diagrama simplificado con las fases que hay que
seguir y que comentamos a continuación:
a) Diseño inicial del sistema, que incluye toda una serie de tareas que acabarán en la elaboración de un esquema eléctrico del sistema y en un diseño de
necesidades de software.
b) A partir del esquema y de la forma física de cada uno de los componentes
que intervienen en él, diseño hardware del sistema. Esta tarea incluye el posicionamiento de cada uno de los componentes y el encaminamiento de las
pistas conductoras que llevarán a cabo las interconexiones necesarias entre los
pivotes de los componentes, lo que generará un prototipo de placa de circuito impreso (PCB). A partir de esta PCB, una vez producida, se lleva a cabo el
montaje o el ensamblaje de todos y cada uno de los dispositivos mediante el
procedimiento de soldadura más adecuado. Este proceso acaba en un prototipo de hardware.
c) Desarrollo del prototipo de software con la programación inicial del microcontrolador o de los microcontroladores que formen parte del sistema empotrado.
d) Integración del hardware/software mediante el vertido o la programación
en el circuito de los microcontroladores. Así, se dispondrá del primer prototipo
preparado para proceder a su test y depuración.
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e) Pruebas y depuración del software y hardware mediante el uso de prototipos hasta llegar a la versión final. Si se detectan errores en el hardware, será
necesario rediseñar la placa y volver a empezar el proceso. Si los errores son de
software, el proceso es similar, salvo que es menos costoso en cuanto a materiales que en cuanto a horas de ingeniería.
f) Obtención del producto final. Después del resultado satisfactorio en todas
las pruebas se conseguirá el producto final. En el caso de previsiones de fabricación masiva, habrá que fabricar preseries y probarlas para minimizar, así, los
imprevistos de cara a la fabricación en serie de altas cantidades.
6.1. Otros aspectos que hay que tener en cuenta en el diseño
A continuación, se comentan una serie de aspectos que hay que tener en cuenta para el éxito del proyecto de sistema empotrado que se tiene que llevar a
cabo.
6.1.1. Determinación de los requisitos del sistema
Una de las partes más importantes del desarrollo de un sistema empotrado es
la definición de los requisitos técnicos y funcionales para poder cumplir las
especificaciones de la aplicación que se quiere hacer. Cuanto más cuidadosamente se lleve a cabo esta fase previa a la creación de un prototipo, menos
probables serán los cambios no deseados tanto en el hardware como en el software. Aun así, hay que recordar que el desarrollo del sistema generalmente es
un proceso iterativo. Al recorrer los últimos pasos del proyecto, puede surgir la
necesidad de revisar las primeras fases para conseguir un producto más fiable,
más consistente y que cumpla todos los requisitos especificados previamente.
Habrá que tener en cuenta una serie de consideraciones técnicas, como por
ejemplo las siguientes:
•
Definición�de�las�interfaces�de�control
–
Los tipos de dispositivos que habrá que controlar o con los cuales se
tendrá que comunicar, y también las propiedades eléctricas y mecánicas de sus interfaces.
–
Una definición general de los requisitos de tipos de memoria (volátil,
no volátil, estado sólido, magnética, etc.).
–
La definición de cómo el sistema interactuará con las personas (monitor, teclado y lector de códigos de barras, entre otros).
•
Definición�de�la�aplicación�de�software
–
Descripción específica de todas las características de la aplicación de
software.
–
Características de depuración.
–
Posibilidad de actualización del software.
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–
30
Previsión de controladores (drivers) para el funcionamiento del hardware externo.
•
Requisitos�de�alimentación
–
Posibilidad de alimentación mediante batería o pilas.
–
Alimentación de seguridad para condiciones de caída de la alimentación principal.
–
•
Previsiones generales de consumo del sistema.
Requisitos�térmicos�del�sistema
–
Margen de temperatura nominal.
–
Refrigeración por ventilador o por convección.
–
Ubicación de los componentes para una gestión térmica efectiva.
–
Condiciones ambientales externas para determinar las necesidades de
control térmico.
–
Tiempo de vida esperado del sistema frente a las necesidades de control
térmico.
•
•
•
Diseño�de�la�forma�y�del�tamaño
–
Restricciones en cuanto a dimensiones.
–
Robustez del producto.
Necesidades�de�rendimiento
–
Necesidades de velocidad de procesamiento.
–
Capacidad de manejar interfaces gráficas.
–
Capacidad de ejecutar software exterior.
–
Capacidad de comunicarse con otras interfaces de alta velocidad.
Definición�de�los�subsistemas�principales
–
Los subsistemas principales con suficiente complejidad deben tener
una definición similar a la del sistema completo para evitar problemas
o costes de integración elevados.
6.1.2. Consideraciones en cuanto al proyecto
1)�Previsión�del�tiempo�que�el�producto�vivirá�en�el�mercado
•
Disponibilidad de componentes.
•
Soporte y mantenimiento del producto vendido.
2)�Estimación�del�tiempo�de�desarrollo
•
Ventana temporal de la oportunidad de mercado.
•
Velocidad para sacar los primeros prototipos.
•
Disponibilidad de encontrar desarrolladores con experiencia.
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Introducción a los sistemas empotrados
3)�Nivel�de�experiencia�de�diseño�o�desarrollo
•
Experiencia de diseño de hardware.
•
Familiarización con los entornos de programación.
4)�Actualizaciones�del�software
•
Número esperado de actualizaciones.
•
Previsión del crecimiento del tamaño del programa.
•
Posibilidad de realizar actualizaciones remotas del programa.
5)�Efectividad�de�la�plataforma�de�desarrollo
•
Tiempo estimado para la finalización del primer prototipo.
•
Disponibilidad de herramientas.
•
Capacidad de utilización o integración de periféricos.
•
Facilidad de uso.
•
Mantenimiento:
–
Procedimiento de actualización del hardware y del software.
–
Mantenimiento o sustitución de componentes.
–
Mantenimiento o sustitución de subsistemas.
–
Mantenimiento térmico del sistema.
–
Actualizaciones del hardware.
–
Estudio de las necesidades de actualización.
–
Expansión y modularidad del diseño.
6.1.3. Consideraciones en cuanto al diseño del sistema
empotrado
Los fabricantes de semiconductores proporcionan los microprocesadores, microcontroladores y DSP en forma de chip bajo una amplia gama de encapsulados, en general cada vez con dimensiones más reducidas y más adaptados a
nuevos procesos industriales de soldadura que permiten reducir costes y automatizar procesos. Normalmente, el hardware se diseña en dos fases: creación
de los esquemas eléctricos y creación del formato (layout) de la PCB.
Elaboración de los esquemáticos
El diseño electrónico del sistema se lleva a cabo mediante unos diagramas llamados esquemas�eléctricos, los cuales representan los componentes mediante símbolos y sus interconexiones mediante líneas, de manera que sea fácil o
digerible de visualizar. Estos diagramas se hacen con herramientas de software
tipo CAD7, como por ejemplo PSPICE, Orcad, Altium o VeriBest de Intergraph.
(7)
Sigla del término inglés computer aided design, diseño asistido por
ordenador.
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Unos buenos esquemas deben incluir información extra requerida para entender el funcionamiento del sistema. Entre otras cosas, han de figurar nombres
representativos en las líneas que representan buses o señales entre dos componentes.
Todos los componentes que se colocarán en la placa del circuito impreso deben tener su representación en los esquemas mediante símbolos, normalmente rectangulares, con sus pivotes alrededor. El diseñador de los esquemas debe
consultar la documentación técnica o las especificaciones de los componentes
utilizados para que la conexión entre ellos se realice correctamente. Se deben
considerar aspectos como la temporización en las comunicaciones entre ellos
y las cargas (esto es, que una salida proporcione suficiente corriente eléctrica
para las entradas a las que llega). Sobre todo a altas frecuencias de trabajo del
sistema (por encima de 50 MHz), hay que controlar la adaptación entre componentes, esto es, que no se produzcan reflexiones de ondas eléctricas en las
interconexiones entre componentes, puesto que harán imposible la transferencia de información legible.
Esquemático
Introducción a los sistemas empotrados
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Introducción a los sistemas empotrados
Creación del formato de la PCB
El formato (layout) consiste en una representación exacta de las huellas (footprint en inglés) de los componentes y de las pistas que unen sus pivotes o terminales. Se entiende por huella de un componente los puntos de material conductor que necesita en la placa base para poder ser soldado y fijado, mientras
que las pistas son las líneas de material conductor de ancho determinada que
permitirán la propagación eléctrica de las señales entre los componentes.
La placa está formada por una lámina de fibra de vidrio o similar con varias
capas de cobre (dos exteriores y posibles internas, como si fuera un sándwich).
PCB
Mediante los gerbers, el fabricante de PCB puede construir la placa con las
huellas y las pistas necesarias. Después de esto se pueden soldar los componentes. El formato también se hace mediante una herramienta CAD, integrada
con la de creación de esquemas. Así, los esquemas dirigen la creación del formato estableciendo cuáles deben ser las uniones entre los componentes, ahora
en forma de pistas que recorrerán el camino necesario para unir dos puntos.
Entre los aspectos que hay que tener en cuenta en la creación de la PCB, se
encuentra la posibilidad de elegir encapsulados de diferentes formas o tipos
para un mismo componente, y también la compatibilidad electromagnética
de la placa (esto es, que las señales de alta frecuencia no interfieran con otras
de la misma placa ni con otras del exterior). Mediante la herramienta del encaminador o del autorouter, el programa CAD puede dibujar todas las pistas
simplemente eligiendo el lugar donde irá cada componente (ubicación o placement). Dependiendo de la densidad de pistas, pueden ser necesarias más o
menos capas de pistas de la PCB. Aun así, esto solo funciona para diseños sencillos, y el procedimiento de encaminar placas PCB complejas acaba siendo
una tarea que requiere mucha experiencia.
Existe una jerarquía de diseño de un sistema empotrado, que podemos expresar según el nivel de integración en los puntos siguientes:
1)�Nivel�de�chip. Utilización de sistemas CAD para diseño electrónico para
proceder a su diseño y simulación.
2)�Nivel�de�tarjeta�(PCB). Sobre un sustrato aislante con unas dimensiones
físicas determinadas, se procede a diseñar el formato de la tarjeta. Posteriormente, se sueldan los dispositivos. Las tecnologías de diseño se suelen definir
como:
•
convencionales,
•
montaje superficial (SMT) o
•
híbrida de capa fina y capa gruesa.
Gerbers
Los gerbers son unos dibujos
que representan el formato.
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Introducción a los sistemas empotrados
A su vez, según la manera de interconectar los dispositivos, podemos hablar
de:
•
simple capa,
•
doble capa o
•
multicapa.
Montaje de los componentes sobre la PCB
El prototipo es un equipo hardware que tiene partes idénticas a las del producto final pero que no está completo. Incluso, puede ser diferente del producto final pero con fuertes parecidos. Pero tiene que servir para ir probando
módulos de software y con ello el hardware, que también ha de ser depurado.
Este prototipo se puede construir adquiriendo los componentes necesarios y
fabricando una PCB, o se puede comprar a un tercero una placa de evaluación
del microprocesador utilizado (de este modo, se consigue ahorrar tiempo en
el diseño). Las placas de evaluación permiten emular el funcionamiento del
prototipo final y comprobar el funcionamiento del software diseñado. Sin embargo, en última instancia siempre se deberá probar el software en el prototipo
final en una fase de integración.
Integración del sistema
En esta fase es la primera vez que se prueba el sistema completo (tanto de
software como de hardware conjuntamente). En realidad, lo que se prueba es
el hardware, utilizando el software desarrollado antes. Normalmente, antes
de esta fase, el software es verificado después de las pruebas llevadas a cabo
con los kits de desarrollo y emuladores, que ofrecen un comportamiento casi
idéntico al que tiene que ofrecer el hardware.
La integración es el momento de la verdad, en el que se verifica el buen funcionamiento del hardware desarrollado. Este es un paso de mucha ansiedad
en el proceso de desarrollo, puesto que es cuando se detectan los errores más
costosos y que deben ser solucionados rápidamente.
Por desgracia, la integración del sistema suele tener lugar cerca del final del
ciclo de vida del proyecto y, por lo tanto, el tiempo disponible para solucionar
los errores normalmente es corto. Dependiendo del tipo de sistema empotrado, el coste añadido a la hora de corregir un error aumenta de 2 a 10 veces
por cada fase de vida.
Hay numerosas estrategias para reducir el tiempo de integración de los sistemas. Una de las mejores consiste en crear un prototipo de hardware dentro
de la fase de diseño del hardware y hacer pruebas de diferentes partes del soft-
Placa�layout�y�componentes�de�un�prototipo
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Introducción a los sistemas empotrados
ware que se va desarrollando. Además, el desarrollo del software se acelera,
dado que no hay que perder tiempo implementando software que simule el
hardware todavía inexistente.
Pruebas, depuración y producto final
La prueba final consiste en la comprobación de que el sistema cumple todos
los requisitos esperados. Las pruebas pueden ser alfa, si se hacen en la misma
empresa de desarrollo del sistema, o beta, si se hacen con el cliente o usuario
en el lugar que él designe. Después de esta fase, solo queda la política de mantenimiento (principalmente software) que se establezca entre ambas partes.
Otras consideraciones sobre el diseño del software
El software que hay que crear para que el sistema cumpla su funcionalidad se
suele empezar a desarrollar en paralelo con el diseño del hardware. Una vez
acabados el hardware y el software, se podrá efectuar la integración del sistema.
Mientras no llega este momento, el software se desarrolla, depura y prueba con
Véase también
Veremos más detalles sobre esto en el módulo "Simulación y
test".
emuladores de software o hardware que proporcionan los fabricantes de los
microcontroladores empleados u otras empresas especializadas en estas fases
de diseño.
Si se utiliza una arquitectura de tipo PC, se puede simplificar el desarrollo del
software, dado que en el mercado hay numerosos módulos ya implementados
que se pueden comprar. Donde podría haber una complejidad más grande es
en los requisitos de tiempo real que pueda tener el sistema. El software se empieza a desarrollar por una fase inicial de captura de requisitos�de�usuario (lo
que el usuario final espera obtener del sistema). Después de esto, se establecen
los requisitos� de� sistema (lo que el sistema debe tener para poder cumplir
los requisitos de usuario). Hay que destacar, también, la importancia de documentar el software, igual que el hardware. En el código, hay que añadir líneas
de comentarios que describan la funcionalidad o la utilidad de las variables y
de las funciones, e incluso explicaciones de trozos de código. También se ha
de generar un documento con la descripción del software. Este queda prácticamente constituido con los diagramas que se van generando con la metodología UML.
Requisitos de sistema y de
usuario
Los requisitos de sistema son
más técnicos que los del usuario y en general hay más,
puesto que para cubrir un requisito de usuario pueden ser
necesarios más de un requisito
de sistema.
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Resumen
Este módulo ha introducido el concepto de sistema empotrado o de propósito
específico. Hemos visto que estos sistemas son ampliamente utilizados hoy en
día y que están presentes en casi todos los dispositivos y todas las infraestructuras tecnológicas que nos rodean. El módulo nos ha presentado las diferentes
tipologías de sistemas empotrados desde un punto de vista del nivel de integración. Hemos visto, por ejemplo, que hay dispositivos que están basados en
un computador completo, integrados en una sola placa; otros son placas que
adhieren funcionalidades a otro sistema conectándose a puertos de expansión
con formatos estandarizados. También hemos visto las iniciativas de integración de los sistemas empotrados en un único chip, que, a pesar del coste de
producción que tienen, abaratan los costes de desarrollo cuando un dispositivo es usado masivamente.
Hemos comentado que el factor de forma es importante y cómo la industria
se ha posicionado para ofrecer varios estándares en los que se han definido los
tamaños, el encapsulado, el apilamiento y la interconexión de sistemas empotrados para asegurar la conectividad, la compatibilidad y los costes reducidos de estos sistemas. Este hecho ha sido determinante para la introducción
masiva de este tipo de dispositivos en el mercado.
En cuanto a la aplicación de los sistemas empotrados, se han presentado brevemente los usos más relevantes. Hemos visto que desde la medicina pasando
por desarrollos militares hasta la agricultura se utilizan dispositivos con capacidades de monitorización, adquisición de datos o de actuación sobre otros
mecanismos o dispositivos y que han permitido lograr hitos que hasta hace
pocos años no eran posibles.
Finalmente, el módulo nos ha guiado por el proceso de diseño y desarrollo de
un sistema empotrado, y ha hecho énfasis en los aspectos teóricos y prácticos
más relevantes para la construcción de un sistema empotrado.
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Actividades
1. Buscad qué microcontrolador usa vuestro teléfono móvil. ¿Quién lo fabrica, qué características tiene? ¿Quién ha hecho la especificación? ¿Tiene puertos de E/S?
2. Haced un diagrama detallado del proceso de desarrollo de un sistema empotrado. Os podéis basar en el diagrama que aparece en la primera figura del apartado 5: "El proceso de
desarrollo".
3. Buscad información sobre el proceso de prototipado. ¿Cómo se crean los PCB? ¿Qué herramientas necesitaríais?
4. Comparad los microcontroladores Atmel Atmega 1281 y Texas Instruments MSP430. ¿Qué
arquitectura tienen? ¿Qué formato de instrucción? ¿Cuánta memoria? ¿Cuántos bits?
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Bibliografía
Ganssle, J. G. (2000). The Art of Designing Embedded Systems (1.ª ed.). Woburn, Massachusetts: Newnes (Elsevier).
Marvedel, P. (2003). Embedded System Design (1.ª ed.). Dordrecht: Kluwer Academic Publishers.
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Introducción a los sistemas empotrados